CC BY
30УДК 621.43+621.51
DOI: 10.25206/2588-0373-2019-3-1-57-65
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ МОБИЛЬНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ
Г. И. Чернов, В. Л. Юша, А. М. Калашников
Омский государственный технический университет, Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11
В работе проводится исследование эффективности экранно-вакуумной теплоизоляции теплооб-менного аппарата системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки с применением методики его расчёта, разработанной на базе пакета Ansys (Fluid Flow — Fluent). По результатам численного анализа рабочих процессов в проточной части кожухотрубного рекуперативного теплообменного аппарата установлена взаимосвязь между параметрами теплоизоляции и характеристиками теплообменника.
Ключевые слова: теплообменный аппарат, рекуперация, тепловая эффективность, тепловые потери, экранно-вакуумная теплоизоляция.
л
О
IS IB N1
OS О О E н T х
>О z А
■ К > О ¡Й
i О
О
< К
O О
Введение
Целью работы является исследование влияния параметров экранно-вакуумной теплоизоляции на эффективность работы рекуперативного теплообменного аппарата. В проведенных ранее исследованиях показано, что значительная часть энергии, генерируемой в двигателе внутреннего сгорания и направляемая на ком-примированние газа в мобильной компрессорной установке, в виде тепла выбрасывается в окружающую среду (рис. 1) [1, 2]. Помимо этого, были доказаны возможность и целесообразность рекуперации, по крайней мере, части этой тепловой энергии в технологической схеме мобильной компрессорной установки, а также существенная роль теплообменного аппарата в повышение энергоэффективности такой системы рекуперации [1—5]. Исходя из полученных результатов было установлено, что одним из факторов, определяющих эффективность рекуперативного теплообменника, является величина его внешних тепловых потерь в окружающую среду через корпусные детали. Предварительные расчёты упрощённой схемы рекуперативного тепло-обменного аппарата подтвердили актуальность задачи по выбору рационального типа и размеров теплоизоляции; одним из предпочтительных вариантов явилась экранно-вакуумная изоляция [6]. В данной работе выполнен уточнённый анализ влияния её параметров на эффективность рекуперативного теплообменника.
Постановка задачи
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику численного анализа уточнённой модели рекуперативного тепло-
обменного аппарата с применение Ansys (Fluid Flow — Fluent).
2. Исследовать влияние режимов работы теплообменного аппарата на величину тепловых потерь.
3. Провести параметрический анализ влияния экранно-вакуумной изоляции на эффективность теплообменного аппарата.
Анализ рабочих процессов в рассматриваемом теплообменнике проводился с использованием расчётной методики, базирующейся на уравнениях теплопроводности, конвективного теплообмена и теплообмена излучением, а также уравнениях, описывающих движение газа и жидкости и их фазовые изменения, содержащиеся в пакете Ansys (Fluid Flow — Fluent). При моделировании теплообменных процессов были приняты следующие граничные условия: температура горячего воздуха на входе Тг =550 °С; температура холодной воды на входе ТВ = 10 °С; внешняя температура окружающей среды Тн =0 °С (рис. 2). Коэффициент теплоотдачи а между окружаю -щей средой и внешней поверхностью теплооб-менного аппарата принимался постоянным.
Исходя из результатов проведенных ранее исследований [6], для рассматриваемого рекуперативного теплообменника был отобран наиболее эффективный вид теплоизоляции [6 — 8]: экран-но-вакуумная изоляция с одним и пятью экранами [9 — 21]. Это обусловлено тем, что при данной теплоизоляция достижимы наиболее низкие те-плопотери при её низкой себестоимости.
Таким образом, объектом исследования является рекуперативный теплообменник кожухо-трубного типа, варианты конструктивной схемы которого представлены на рис. 3, 4. По трубкам такого теплообменника движется вода, в межтрубном пространстве — горячие выхлопные газы, на обечайке расположена экранно-ваку-
Рис. 1. Тепловые потоки в работе мобильной компрессорной установки: Q — подводимая теплота сгорания топлива в ДВС; Qor — теплота, отводимая с отработанными газами; Q^ — теплота, отводимая в системе охлаждения ДВС; Q — теплота, отводимая смазочным маслом в ДВС; N — теплота, преобразуемая в полезную работу; NBM — затраты мощности на привод вспомогательных механизмов в компрессоре; QMK — теплота, отводимая смазочным маслом в компрессоре; Q0xiK — теплота, отводимая в системе охлаждения компрессора; Qc>Kr — теплота, отводимая от сжатого газа Fig. 1. Heat flows in the operation of a mobile compressor unit: Q — supplied heat of combustion in the engine; Qor — heat removed with used gases; Q — heat removed in the engine cooling system; Q^ — heat removed by the lubricating oil in the engine; N — heat converted to useful work; NBM — the power requirement for the drive of auxiliary mechanisms in the compressor; QMK — heat removed by the oil in the compressor; QOXaK — heat removed in the compressor cooling system; Qc>Kr — heat removed from compressed gas
Рис. 2. Схема теплообменного аппарата Fig. 2. Scheme of heat exchanger
i»
< 5
< *
* 5
2 <
< <
<T 1
3 =
2 j
< >
умная теплоизоляция (рассмотрены варианты с различным количеством экранов и разным остаточным давлением).
Теория
Суммарный тепловой поток и его составляющие определяются известными зависимостями. Для суммарного теплового потока справедливо следующее выражение [7, 22]:
Q=QT+Qr+Q„
(1)
где ОТ — тепловой поток, обусловленный теплопроводностью; ОК — конвективный тепловой поток; ОИ — тепловой поток, обусловленный излучением. При этом если между поверхностью деталей проточной части и водой тепловой поток передаётся в основном конвекцией и теплопроводностью, то теплообмен между поверхностя-
Рис. 3. Схема теплообменного аппарата с экранно-вакуумной изоляцией (1 экран) Fig. 3. Scheme of heat exchanger with screen-vacuum insulation (1 screen)
О
IS 1> N1
OS О О E н T x >0 z А
■ К > О
ia
i о
Рис. 4. Схема теплообменного аппарата с экранно-вакуумной изоляцией (5 экранов) Fig. 4. Diagram of heat exchanger with screen-vacuum insulation (5 screens)
О
< К
о о
■ s
■ Ш
Рис. 5. Расчётная трехмерная модель
теплообменного аппарата: 1 — холодная вода; 2 — горячие газы; 3 — корпус теплообменного аппарата Fig. 5. The calculated three-dimensional model of the heat exchanger: 1 — cold water; 2 — hot gases; 3 — heat exchanger housing
ми деталей проточной части в межтрубном пространстве осуществляется одновременно тремя способами [7, 22].
Численное решение в среде Ansys (Fluid Flow — Fluent) рассматриваемого объекта будет состоять из следующих этапов:
1. Выполняется модель теплообменника с различной толщиной теплоизоляционного слоя сохраняется в формате «.х_Ъ>: 0 мм, 2 мм, 5 мм, 10 мм, 15 мм (рис. 5).
2. Строится конечно-элементная модель расчетной области. Для описания явлений, происхо-
Temperature
Contour 1 [С]
Рис. 7. Пример распределения температуры в проточной части теплообменного аппарата при использовании экранно-вакуумной изоляции (1 экран) Fig. 7. Example of temperature distribution in the flow part of the heat exchanger using screen-vacuum insulation (1 screen)
< >
дящих в теплообменнике, обеспечивается определенное значение безразмерного коэффициента высоты первой пристеночной ячейки: для газа и жидкости значение у+ определено в интервале < 10; у пристеночной области создается сгущение сетки по линейному закону роста с коэффициентом роста, равным 1,2 (рис. 6).
3. Устанавливаются граничные и начальные условия:
— активируются необходимые для выбранной задачи параметры анализа: модель фазового состояния, энергетическая модель, модели типа течения и указываются поверхности участвующие в процессе теплового излучения (проводится расчет угловых коэффициентов);
— зонам присваиваются созданные материалы;
— выставляются граничные условия потоков горячего газа и воды;
— задаются опции контроля расчета;
— определяются параметры расчета.
4. Происходит запуск расчета.
5. Выполняется обработка полученных результатов проведенного эксперимента.
Результаты
На рис. 7 представлен градиент распределения температуры в проточной части рекуперативного теплообменника с экранно-вакуумной теплоизоляцией (вариант с 1 экраном).
Отметим, что повышение давления горячего газа в межтрубном пространстве приводит к интенсификации теплоотдачи со стороны газа и к увеличению количества теплоты, воспринимаемого водой за счёт увеличения её расхода. При фиксированных температурах воды на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него увеличение давления газа в межтрубном пространстве от 0,1 МПа до 0,2 МПа позволяет увеличить расход воды и улучшить удельные характеристики теплообменного аппарата даже без внешней изоляции, в частности, количество теплоты, приходящееся на единицу площади те-плообменной поверхности (рис. 8).
На рис. 9 представлена зависимость относительных внешних тепловых потерь тепло-обменного аппарата АО /АО от давления газа
Рис. 8. График зависимости отношения тепла, переданного воде, к площади теплообмена, от давления газа в межтрубном пространстве Fig. 8. Graph of the ratio of heat transferred to water to the area of heat exchange, the gas pressure in the annular space
F < ■ i ш E
5 J= О S О О
>p z А
■ К p О
R0
TO ГП
li E0 l Т
■ О
- ДОст/ДОг
-S
4
X
Рабочее давление газа, кПа
-1-1-
Рис. 9. График зависимости отношения внешних тепловых потерь к количеству тепла, переданного воде, от давления газа в межтрубном пространстве Fig. 9. Graph of the ratio of external heat loss to the amount of heat transferred to the water, the gas pressure in the annular space
в межтрубном пространстве (АОсш — внешние тепловые потери, АОг — количества тепла, отведённого от газа к воде и в окружающую среду). Наблюдается незначительное снижение доли внешних тепловых потерь, то есть с ростом давления происходит более интенсивный рост тепловой эффективности. Можно утверждать, что повышение давления газа в проточной части как минимум не ухудшает тепловую эффективность рекуперативного теплообменника при известном улучшении его удельных характеристик.
На рис. 10, 11 представлена зависимость относительных тепловых потерь в рассматриваемых объектах от толщины экранно-вакуумной изоля-
ции с различным числом экранов и различным остаточным давлением воздуха в полости обечайки.
Из полученных графиков видно, что при начальном увеличении толщины изоляции, количества экранов и снижении остаточного давления имеет место уменьшению относительных тепловых потерь. При дальнейшем увеличении толщины изоляции и снижении остаточного давления интенсивность снижения тепловых потерь падает. Ранее показано, что это же относится к количеству экранов [6].
На основе проведённого исследования можно сделать следующие выводы: применение
О *
¡3
Рис. 10. Зависимость внешних тепловых потерь теплообменника от толщины теплоизоляционного слоя и величины остаточного давления (количество экранов — 1): 1 — Ри = 0,1 МПа; 2 — Ри = 0,04 МПа; 3 — Ри = 0,001 МПа Fig. 10. Dependence of external heat losses of the heat exchanger on the thickness of the heat-insulating layer and the value of the residual pressure (the number of screens is 1): 1 — P = 0,1 MPa; 2 — P = 0,04 MPa; 3 — P = 0,001 MPa
Рис. 11. Зависимость внешних тепловых потерь теплообменника от толщины теплоизоляционного слоя и величины остаточного давления (количество экранов — 5): 1 — P__ = 0,1 МПа; 2 — P__ = 0,04 МПа; 3 — P__ = 0,001 МПа Fig. 11. Dependence of external heat losses of the heat exchanger on the thickness of the heat-insulating layer and the value of the residual pressure (the number of screens is 5): 1 — P = 0,1 MPa; 2 — P = 0,04 MPa; 3 — P = 0,001 MPa
2 5
экранно-вакуумной теплоизоляции позволяет снизить тепловые потери в окружающую среду с 20 — 25 % (без внешней теплоизоляции) до 4 — 6 %; при толщине экранно-вакуумной изоляции более 6 — 8 мм интенсивность снижения тепловых потерь становится несущественной; при снижении величины остаточного давления с 0,1 МПа до 0,01 МПа снижение внешних тепловых потерь составляет около 2 %.
Заключение
Таким образом, проведённый параметрический анализ одного из возможных вариантов реальной конструктивной схемы теплообменника системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки показал, что в данной схеме существует возможность обеспечить требуемую компактность теплообменного
аппарата при сохранении его высокой энергоэффективности за счёт применения эффективной внешней экранно-вакуумной теплоизоляции, а также за счёт повышения рабочего давления выхлопных газов в межтрубном пространстве. Количественные параметры такой теплоизоляции, разумеется, будут зависеть от типоразмера, температурного режима и тепловой мощности теплообменника.
Список источников
1. Yusha V. L., Chernov G. I., Kalashnikov A. M. The study of the mobile compressor unit heat losses recovery system waste heat exchanger thermal insulation types influence on the operational efficiency // AIP Conference Proceedings.
2017. Vol. 1876, Issue 1. P. 020054-1-020054-8. DOI: 10.1063/1.4998874.
2. Yusha V. L., Chernov G. I., Kalashnikov A. M., Zinoveva A. V. The heat losses recovery system efficiency analysis of the mobile compressor unit with the additional cooling loop // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2007, Issue 1. P. 030031-1-030031-8. DOI: 10.1063/1.5051892.
3. Chernov G. I., Yusha V. L., Sherban K. V., Kalashni-kov A. M. Modeling of the processes of heating organic coolant in the system of heat losses recuperation of the mobile compressor unit on the basis of a low-speed single-stage // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Vol. 858 (1). P. 226-232. DOI: 10.1088/1742-6596/858/1/012008.
4. Yang B., Jiang Y., Fu L. [et al.]. Conjugate heat and mass transfer study of a new open-cycle absorption heat pump applied to total heat recovery of flue gas // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 138. P. 888-899. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2018.04.054.
5. Yuan H., Sun P., Zhang J. [et al.]. Theoretical and experimental investigation of an absorption refrigeration and pre-desalination system for marine engine exhaust gas heat recovery // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 150. P. 224-236. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.12.153.
6. Yusha V. L., Chernov G. I., Kalashnikov A. M. The efficiency comparative analysis of the mobile compressor unit heat losses recovery system flow part elements thermal insulation different types // AIP Conference Proceedings.
2018. Vol. 2007, Issue 1. P. 030029-1-030029-9. DOI: 10.1063/1.5051890.
7. Архаров А. М., Афанасьев В. Н. [и др.]. Теплотехника. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 712 с. ISBN 5-7038-2439-7.
8. Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. [и др.]. Физические величины. Справочник / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с. ISBN 5-283-04013-5.
9. Yang J., Lourenjo M. I., Estefen S. F. Thermal insulation of subsea pipelines for different materials // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2018. Vol. 168. P. 100-109. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2018.09.009.
10. Fantucci S., Lorenzati A., Capozzoli A. [et al.]. Analysis of the temperature dependence of the thermal conductivity in Vacuum Insulation Panels // Energy and Buildings. 2019. Vol. 183. P. 64-74. DOI: 10.1016/j.enbuild.2018.10.002.
11. Pasztory Z., Horvath T., Glass S. V. [et al.]. Experimental investigation of the influence of temperature on thermal conductivity of multilayer reflective thermal insulation // Energy and Buildings. 2018. Vol. 174. P. 26-30. DOI: 10.1016/j.enbuild.2018.06.012.
12. Choi B., Song T.-H. Investigation of edge taping method applied to vacuum insulation panels // Energy and Buildings. 2017. Vol. 134. P. 52-60. DOI: 10.1016/j.enbuild.2016.11.005.
13. Al-Neama A. F., Kapur N., Summersa J. [et al.]. An experimental and numerical investigation of the use of liquid flow in serpentine microchannels for microelectronics cooling / /
Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 116. P. 709-723. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.02.001.
14. Ghani I. A., Sidik N. A. C., Mamatd R. [et al.]. Heat transfer enhancement in microchannel heat sink using hybrid technique of ribs and secondary channels // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 114. P. 640-655. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.103.
15. Schmidt D., Kallert A., Blesl M. [et al.]. Low temperature district heating for future energy systems // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. P. 26-38. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.05.052.
16. Kim J.-H., Boafo F. E., Kim S.-M. [et al.]. Aging performance evaluation of vacuum insulation panel (VIP) // Case Studies in Construction Materials. 2017. Vol. 7. P. 329-335. DOI: 10.1016/j.cscm.2017.09.003.
17. Liang Y., Wu H., Huang G. [et al.]. Thermal performance and service life of vacuum insulation panels with aerogel composite cores // Energy and Buildings. 2017. Vol. 154. P. 606-617. DOI: 10.1016/j.enbuild.2017.08.085.
18. Ba§ogul Yu., Demircan C., Kejeba§ A. Determination of optimum insulation thickness for environmental impact reduction of pipe insulation // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 101. P. 121-130. DOI: 10.1016/j. applthermaleng.2016.03.010.
19. Berge A., Adl-Zarrabi B. Long term performance of vacuum insulation panels in hybrid insulation district heating pipes // Energy Procedia. 2017. Vol. 116. P. 334-342. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.05.080.
20. Berge A., Hagentoft C.-E., Adl-Zarrabi B. Field measurements on a district heating pipe with vacuum insulation panels // Renewable Energy. 2016. Vol. 87, Part 3. P. 1130-1138. DOI: 10.1016/j.renene.2015.08.056.
21. Filimonov R., Sorvari J. Numerical study on the effect of cross-section orientation on fluid flow and heat transfer in a periodic serpentine triangular microchannel // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 125. P. 366-376. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.07.027.
22. Луканин В. Н., Алексеев И. В., Шатров М. Г. [и др.]. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов. 3-е изд., перераб. и испр. М.: Высшая школа, 2007. 479 с.
ЧЕРНОВ Герман Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». БРНЧ-код: 2144-5462; АиШогГО (РИНЦ): 176943 Адрес для переписки: gi_chernov2002@mail.ru ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология», декан нефтехимического института. БРНЧ-код: 1503-9666; АиШогГО (РИНЦ): 610283 ОЯСГО: 0000-0001-9858-7687 Адрес для переписки: yusha@omgtu.ru КАЛАШНИКОВ Александр Михайлович, ассистент кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
БРНЧ-код: 5496-5209; А^^гГО (РИНЦ): 888551
ОЯСГО: 0000-0002-6847-4937
Адрес для переписки: 2_lives@mail.ru
Для цитирования
Чернов Г. И., Юша В. Л., Калашников А. М. Параметрический анализ эффективности экранно-вакуумной теплоизоляции рекуперативного теплообменника системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3, № 1. С. 57 — 65. БОН 10.25206/2588-0373-2019-3-1-57-65.
Статья поступила в редакцию 26.02.2019 г. © Г. И. Чернов, В. Л. Юша, А. М. Калашников
i ■
л
О
IS IBS
N1 ^
OS О О E н T х >0 z А
■ К > О ¡Й
i О
О
V <"> К
O О
